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浙江理工大学吕汪洋Chem. Eng. J.:1D蚕丝纳米纤维和2D石墨氮化碳纳米片共增强抗冻、抗菌导电有机水凝胶及其在柔性传感器中的应用
2021/2/23 10:42:47 易丝帮

DOI: 10.1016/j.cej.2021.128470

导电水凝胶柔性传感器由于其优良的柔性和高灵敏度,在可穿戴电子器件领域受到越来越多的关注。然而,对于导电水凝胶柔性传感器而言,导电水凝胶关键特性(强度、可拉伸性、抗冻性、抗菌特性和较大的线性传感范围)的集成对于其实际应用是非常必要的。在这项工作中,研究者创造性地使用软1D蚕丝纳米纤维(SNFs)和硬2D石墨氮化碳(g-C3N4)纳米片,以共增强聚乙烯醇(PVA)有机水凝胶。令人惊讶的是,仅添加0.1%的蚕丝纳米纤维和少量的g-C3N4纳米片大大提高了有机水凝胶的拉伸强度(约3.2倍)和韧性(约7.7倍)。当使用由水和乙二醇组成的二元溶剂体系时,有机水凝胶具有抗冻功能。即使在-18℃下,也可以很好地保持有机水凝胶的柔性和导电性。由于添加了Al3+,导电聚乙烯醇-蚕丝纳米纤维-石墨氮化碳纳米片(PVA/SNF/CN)有机水凝胶对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的杀菌率分别为99.527%和99.41%。基于PVA/SNF/CN有机水凝胶的三明治式柔性应变传感器具有较大的线性传感范围(0%-100%)、快速响应(276ms)和出色的抗疲劳性能(1000个循环)。它不仅可以成功检测到人体运动(腕部弯曲,膝关节弯曲)和面部表情(微笑和皱眉),而且还能在使用长达20天的时间内保持输出信号的准确性。PVA/SNF/CN有机水凝胶在柔性传感器中显示出巨大的潜力。

 

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图1.液体剥离法制备蚕丝纳米纤维的方法。(a)示意图显示在-18℃下使用NaOH/尿素/H2O混合溶液剥离蚕丝来制备SNFs。(b)脱胶蚕丝纤维的SEM图像。(c)SEM图像显示蚕丝纤维的一些裂缝。(d)SNFs的SEM图像。(e)具有明显廷德尔效应的SNFs水分散体照片。


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图2.导电PVA/SNF/CN有机水凝胶的制备。(a)导电PVA/SNF/CN有机水凝胶的合成步骤。(b)导电PVA/SNF/CN有机水凝胶的内部相互作用示意图,(c)导电PVA/SNF/CN有机水凝胶的可注射特性。(d)照片显示有机水凝胶出色的形状加工性能。


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图3.导电PVA/SNF/CN有机水凝胶的力学性能。(a)打结的水凝胶拉伸时的图像,(b)PVA/SNF/CN有机水凝胶的压缩。(c)PVA-0.1%SNF-CN的负载演示。(d)导电PVA/SNF/CN有机水凝胶和纯PVA有机水凝胶(作为参考)的拉伸曲线。(e)含有不同SNFs和g-C3N4的有机水凝胶的拉伸强度和应变,以及(f)韧性。


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图4.导电PVA/SNF/CN有机水凝胶的结构表征。(a)导电PVA/SNF/CN有机水凝胶的FTIR光谱(b)导电PVA/SNF/CN有机水凝胶的XRD图。


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图5.不同导电PVA/SNF/CN有机水凝胶的SEM图像:(a)PVA,(b)PVA-CN,(c)PVA-0.05%SNF-CN,(d)PVA-0.1%SNF-CN,和(e-f)PVA-0.2%SNF-CN。


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图6.导电PVA/SNF/CN有机水凝胶的抗冻、保湿性能和可加工性。(a)和(b)在25℃和-18℃下比较PVA-W、PVA和PVA-0.1%SNF-CN的耐冻性。(c)PVA-W、PVA和PVA-0.1%SNF-CN在25℃至-70℃下的DSC热分析图。冷却速率为10℃/min。(d)在37℃和60RH%下PVA-W和PVA-0.1%SNF-CN的重量变化。(e)照片显示了在37℃和60RH%下PVA-W和PVA-0.1%SNF-CN的保水率比较。(f)照片显示有机水凝胶从碎片到圆形物的可回收性。


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图7.导电PVA/SNF/CN有机水凝胶柔性应变传感器的导电性能。(a)ΔR/R0与应变的关系曲线。(b)不同拉伸应变下的相对电阻变化。PVA/SNF/CN有机水凝胶在(c)小应变(10%,15%和20%)和(d)大应变(30%,50%和100%)下的相对电阻变化。(e)15%应变下的响应时间。(f)有机水凝胶在0-15%应变下循环1000次的ΔR/R0。


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图8.导电PVA/SNF/CN有机水凝胶柔性应变传感器的长期使用情况。(a)每天循环5次,有机水凝胶应变传感器在0%-15%应变下的ΔR/R0。(b)0天,(c)5天,(d)10天,(e)15天,(f)20天。


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图9.导电PVA/SNF/CN有机水凝胶作为应变传感器的相对电阻变化,可检测各种人体运动:(a)手指以不同角度弯曲(0°,30°,60°,90°和45°),(b)指关节弯曲,(c)手腕弯曲,(d)肘关节弯曲,(e)膝关节弯曲,(f)吞咽,(g)皱眉,(h)微笑。


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图10.PVA/SNF/CN有机水凝胶和导电PVA/SNF/CN有机水凝胶对(a)大肠杆菌和(b)金黄色葡萄球菌的抑菌作用。(i)空白样品;(ii)PVA/SNF/CN有机水凝胶;(iii)导电PVA/SNF/CN有机水凝胶。(c)有机水凝胶对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的杀菌率。


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